虚拟仿真背景下《发电厂电气主系统》实验教学改革——以南华大学为例

文娟

（南华大学 电气与信息工程学院，湖南衡阳 421001）

《发电厂电气主系统》是电气工程及其自动化专业的核心课程之一。该课程是一门综合性很强、与实际工程应用紧密联系的专业课，在专业课程教学过程中占有重要地位，与电力系统分析、高电压技术、电力系统继电保护等课程密切相关，内容相互交叉[1]。

在开设《发电厂电气主系统》课程之前，学生通过对前续专业课如电机学、电力系统暂稳态分析等课程的学习，已基本掌握电机工作原理、电力系统运行过程、电力系统的潮流计算原理等内容。《发电厂电气主系统》主要针对发电厂/变电站的电气主系统、配电系统、控制系统等进行设计与计算，以训练学生分析和解决工程问题的能力，并使其树立工程实践观点[2]。对于本课程的教学，大多数院校已进行实验教学改革，如新疆工程学院依托220kV 变电站数字物理混合仿真实验室，模拟倒闸操作过程[3]；湖南工程学院基于工程教育认证标准，对教学内容、模式、方法等方面进行改革[4]；内蒙古农业大学机电工程学院依托校企协同育人机制，引入发电厂电气真实设备实习实践[5]。实验教学环节的实施，让学生掌握发电厂/变电站的基本知识和运行原理，培养了学生的工程实践能力及创新能力。

然而，南华大学电气工程及其自动化专业开设的《发电厂电气主系统》课程仍然以理论教学为主，教师通过多媒体课件和板书展示课程内容。但由于课程的特殊性，部分课程内容如母线倒闸操作、设备控制与接线等并不能做到生动形象，影响学生听课的积极性和主动性。通过与学生交流学习心得体会，大多数学生认为课程内容复杂，不能亲眼看到和动手操作实际生产的电气设备，缺乏对电厂整体深入的认识，导致他们在学习该课程时枯燥无味；特别是我校因实验教学环节的缺失，导致学生不能全面把握该课程的知识体系，在很大程度影响了他们的学习积极性。依据新工科建设要求，深化高等学校工程教育改革，提高教育质量，注重高等教育产出[6]。且我校电气工程及其自动化专业毕业的多数学生将进入电网、电厂工作，应侧重对设备的认知、电厂运行特征及相关操作的理解，运用所学知识去解决实际问题。因此，针对我校开设的《发电厂电气主系统》课程实验环节缺失问题，依照新工科建设要求对其进行实验改革和创新，实现实验与教学内容相融合，对于提升学生从全局角度理解发电系统运行过程，激发学生学习兴趣和创新能力，提高学生分析问题、解决问题等工程实践能力具有重要意义。

1 《发电厂电气主系统》实验教学改革思路

实验教学是教学体系中重要的一个环节，教师通过实验环节可以发现学生对课程的掌握程度和不足，为教师及时调整教学进度提供指导。学生通过实验环节可充分理解理论课上学习的基本原理，提升自己的工程实践能力；并能帮助学生清楚认识所掌握内容与学习目标之间的差距，进而让学生能及时查漏补缺，调整学习策略和方法，提高学习效果。

基于我校目前教学模式下《发电厂电气主系统》课程理论与实践脱节、实验环节缺失、教学效果不佳的问题，笔者针对这一课程提出增加实验教学模式、实施教学改革，改革的主要内容为：

首先，考虑到该门课程涉及很多电气一次设备，因这些设备并不是生活中随处可见的，学生对这些设备较为陌生。为了提高学生对电气一次设备的实践认知，设计实际设备常规操作实验，如一次设备的拆卸和安装，使得学生对主要电气设备的结构、操作原理等有较为深刻的理解，提高学生的知识应用能力，锻炼学生的实践动手能力。

其次，考虑到发电厂/变电站的特殊性，学生不能做出一个完整的系统。但为了让学生能熟练掌握电力系统的运行过程、各类设备的功能及控制等原理，基于虚拟仿真实验平台，学生可自行制定电厂运行的虚拟仿真实验方案，通过调整不同设备、部件的参数，模拟电厂生产运行的实际过程，从而培养学生的主动性和创新性，为学生以后从事研究性工作打下良好的基础。

再者，为了让学生了解发电厂/变电站的发展趋势，熟练掌握发电厂/变电站的计算原理，通过MATLAB、PSCAD 等仿真实验软件搭建电力系统模型，设计多类仿真实验。学生对仿真结果、手动计算结果、实际结果进行对比分析，检验自己对设计方案、计算原理的掌握情况，有利于学生对电力系统运行过程中各种现象的理解和认识，并提高学生的设计分析能力。

2 发电厂实验教学改革路径

2.1 常规实验环节的设计

《发电厂电气主系统》的教学实验是检验和提高学生对课程相关理论知识的理解和掌握的主要手段，由于学生缺乏发电厂/变电站工程知识背景，且发电厂/变电站的电能产生、传输与使用的实际过程比较抽象，例如发电厂在生产运行过程中涉及能源的传输及转换、电压等级的变换、各类电气设备的结构、设计原理和执行的功能[7]，大多数学生在生活中很少接触到这些内容。因此，课程的常规实验教学环节主要从理解电力系统运行特征和熟悉各类电气设备的原理两个方面开展。

我校电气工程与信息学院配备了多台THLZD-2型电力系统综合自动化实验平台，该实验平台带有简单的电网主接线和潮流分析功能，可用于分析发电机并网后电网运行状态。学生基于该平台进行实验操作，观察系统运行的实际情况，对电力系统中能源的转化、发电机的启动和并网、系统状态有更深入的理解；并基于潮流分析平台对简单电力系统进行潮流计算，可加深学生对潮流计算原理的掌握，训练学生的计算分析能力。

针对学生不熟悉各类电气设备、不能完全掌握设备的原理及其功能等问题，开设相关实践教学实验。我校将与实习基地耒阳电厂、衡阳市特变电等部门合作，计划采购一部分发电厂/变电站所用的设备如断路器、隔离开关等，作为实验设备，并利用本院已有的发电厂模型及变压器模型，设计对电气设备拆卸、安装和调试等教学实验，要求学生动手完成各类设备的安装和拆卸，并对互感器等设备的控制回路接线进行设计，由此将理论课中电气设备的相关知识点与实验内容结合起来，让学生更为深刻地了解各类电气设备的基本结构、实现的功能及运行的原理，同时也训练了学生的动手能力，为学生以后从事电力相关专业工作打下一定的实践基础。

2.2 虚拟仿真实验环节的设计

《发电厂电气主系统》这一课程主要面向高压部分，直接让学生参加发电厂/变电站内的各类操作，显然不太可能。为了解决这一问题，通过虚拟仿真实验平台模拟发电厂/变电站内的各类操作，进一步提高学生的实践水平。我校已建好核电虚拟仿真重点实验室，其实验模型及相关数据主要来源于大亚湾核电厂多年的运行数据，具有很强的实用性。该平台能够模拟核、电转化过程、传输过程以及自动控制过程，基于该平台为学生增加多个仿真实验项目，模拟核电厂运行过程，让学生充分理解核能发电过程，如表1所示。

表1 虚拟仿真实验项目

实验一，要求学生在理论学习过程中掌握核电生产过程及其原理，学生自主拼接反应堆模块、蒸汽模块、发电模块等构建核电系统，模拟核电机组的启停操作，观察生产过程中各类现象及参数变化。

实验二，考查学生对发电厂/变电站二次系统设备的使用和控制。实际电力系统配备有控制系统的智能设备，保证系统的安全运行，学生导入核电厂的实际运行数据，通过设备监测系统的运行工况，深入理解运行过程中的复杂现象。

实验三，考查学生对核电功率产生原理的掌握，学生可以设计不同的实验方案，模拟系统内功率的产生，通过调整相关的设备参数调节核电功率，监测因功率调节引起的系统状态的转变过程，提高学生综合分析问题的能力。

在实验过程中，让学生把自己当作设计人员，要求他们思考如何合理设计、运行发电厂，通过仿真实验平台修改参数模块、设计不同的参数，获得相应的实验结果，给学生自主学习的空间和条件，提高学生的自主创新和实践能力。

2.3 软件仿真实验环节的设计

基于发电厂/变电站的结构和潮流复杂的特征，当大量可再生能源接入到现代电网中，会引起系统结构和潮流发生改变，导致学生不能正确理解潮流计算原理，计算出现纰漏。为了提高学生的计算能力和设计水平，让学生了解多类电源接入后系统的运行特征，基于MATLAB、PSCAD 等仿真软件，设计多能源发电的电厂模型，如可以设计风电、光伏等可再生能源接入的发电系统仿真模型，分析网络内部潮流特征；学生通过仿真软件计算网络中节点、支路的电流电压值，与自己手动计算的结果进行比较分析，可以找出自己在计算方面的不足，从而有针对性地进行改进。并且学生可根据自己的要求设计仿真模型，有利于提高学生的创新意识和自主学习能力。

为了保证这些实验环节的顺利进行，取得应有的实验教学效果，针对实验教师、我校学生特点制定相关的管理措施。如：实验教师必须做好实验相关的准备工作，提前给学生提出相关的实验问题，引导学生去查找资料，带着问题完成实验；对学生展示设备的拆卸和安装、虚拟仿真实验平台教学、仿真实验教学等过程应具有严谨的态度，引入课程思政内容，培养学生的感性认识和对课程的兴趣；加强实验过程的考核，将实验考核成绩与实验预习情况、实验过程中的自主动手能力、讨论问题情况、实验完成结果等联系起来，并且规定实验成绩为本课程成绩中一部分，设置10%-30%的比例，从而激发学生的主动性和积极性。

3 结语

《发电厂电气主系统》是一门实践性很强、工程背景要求高的课程，针对我校开设这一门课程的缺陷及电气工程及其自动化专业学生的特点，笔者提出将常规实验、虚拟仿真平台实验、仿真实验等实验教学环节穿插到课程教学过程中，提升课程的教学质量，丰富课程的教学内容。并且，通过这些实验环节能极大提高和激发学生的学习积极性，锻炼学生的实践动手能力，培养学生自主将所学的理论知识融入实际问题的意识，培养学生的分析问题、解决问题等综合应用能力。